第七章  生物氧化 Biological Oxidation ATP与其它高能化合物 氧化磷酸化

思考题 1 患者：女性，53岁，因神志不清入院。患者1小时前被发 现，疑煤气中毒。体格检查：体温37度，脉搏94次/分，呼吸 22次/分。辅助检查： 1.碳氧血红蛋白测定：HbCO>50%。2. 动脉血气分析：动脉血氧分压、氧饱和度和二氧化碳分压都 处于较低水平。3.脑电波显示广泛异常改变。 请问：煤气中毒的生化机制是什么？

思考题 2 运动与长寿是一个颇具争论的话题，下面是某网友的一家之言： “历代寿星中，有许多一生劳作的农民，也有诸多每日静坐的高僧。那么，长寿之道到底是在于运动还是在于静养呢？ 大象在野外生活，可活200年，而关在动物园中的大象，则活不到80年；野兔可活15年，而家兔只活4至5年。可见，野生动物经常东奔西跑，体质锻炼得好，因此活得久。如动物一样，常做适当运动的人，身体强健，生病少，寿命也长。《吕氏春秋》中说得好：“流水不腐，户枢不蠹……”法国思想家伏尔泰讲得更明确：“生命在于运动”。 然而，并非所有的运动都有益于人体健康。剧烈的运动往往会破坏人体内外的生理平衡，加速机体某些器官的磨损和一些生理功能的失调，导致人的生命进程缩短，出现早衰和早逝。据报道，国外一家保险公司曾对5000名运动员做过健康监测，结果表明，不少运动员50岁左右就患了心脏病。多数人的寿命不及普通人，其根本原因就在于运动剧烈且过度。与之相反，那些终生很少作激烈运动的人，如作家、书法家、画家和科学家等，活到八九十岁者却不乏其人。自古以来，和尚、道士大多健康长寿，这与他们经常坐禅入静不无关系。在动物界，被视为长寿象征的龟与鹤，也是从不做剧烈运动的，它们都是不爱动的动物。由此可见，静养也是可以长寿的 ……” 根据生物氧化出现的问题及其解决方案，谈谈你对运动与长寿的看法。

学习目标： 掌握： 了解： ATP循环与高能磷酸键 ATP的利用 化学渗透假说 其他高能磷酸化合物 P/O值 氧化磷酸化的概念 两条呼吸链的组成和排列顺序 ATP合酶 氧化磷酸化的调节 化学渗透假说 P/O值 α-磷酸甘油穿梭作用和 苹果酸-天冬氨酸穿梭作 用 线粒体外其他氧化酶系 的催化特点和功能

一、生物氧化的概念 1.生物氧化 营养物质(糖、脂、蛋白质等)在体内氧化成 二氧化碳和水并释放能量的过程。 营养物质 + O2  H2O + CO2 + 能量 ATP + 热量

进行广泛的加水脱氢反应，间接得氧，脱下的氢与氧结合成水；有机酸脱羧产生CO2。 2.生物氧化特点 生物氧化 体外氧化 反应温度 37℃ 高温 反应环境 近中性 干燥 催化剂 酶 无 能量释放的速度 缓慢 快速 能量释放的形式 主要以生成ATP等高能化合物的形式释放 热 产生CO2与H2O的方式 进行广泛的加水脱氢反应，间接得氧，脱下的氢与氧结合成水；有机酸脱羧产生CO2。 氧直接与碳、氢结合，生成CO2与H2O。

3.生物氧化中物质氧化的方式 氧化反应 失电子 脱氢 加氧 还原反应 得电子 加氢 脱氧

4.生物氧化的一般过程 糖原 三酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC CO2 ADP+Pi ATP 2H 呼吸链 H2O

二、ATP 腺苷三磷酸

ATP是体内能量利用与贮存的主要形式，是能量转换的中心

其他高能化合物 分类及举例 释放能量（pH7.0,25℃) UTP、CTP、GTP 30.5 kJ/mol 1,3-二磷酸甘油酸、 磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 kJ/mol 磷酸肌酸 43.9 kJ/mol 乙酰CoA、琥珀酰CoA、脂酰CoA 31.4 kJ/mol

高能化合物之间的转换 ATP + UDP ADP + UTP CDP CTP ADP累积时，也可产生ATP： GDP 核苷二磷酸激酶 GTP ATP + UDP ADP + UTP CDP CTP ADP累积时，也可产生ATP： ADP + ADP  ATP + AMP 腺苷酸激酶

磷酸肌酸-- ATP在脑、肌肉中的储存形式.

三、ATP的生成 1、底物水平磷酸化 在反应过程中,由于分子内部能量重新分配， 形成高能磷酸化合物（或硫酯化合物），进一 步将高能磷酸键的能量直接转移给ADP，形成 ATP。

举例： 1,3-二磷酸甘油酸 + ADP 3-磷酸甘油酸 + ATP 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP 丙酮酸 + ATP 琥珀酰CoA + H3PO4 + GDP 琥珀酸 + CoA-SH + GTP + ADP   ATP PK

I 呼吸链（respiratory chain) 2、氧化磷酸化 I 呼吸链（respiratory chain) 概念： 线粒体内膜中的一系列递氢和递电子酶及其辅酶按照一定顺序排列成的连锁性氧化还原体系。 A 代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水； B 该酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上； C 此过程与细胞呼吸有关。因此，称为呼吸链。

线粒体的结构 呼吸链

Q 呼吸链电子传递示意图 e- e- e- e- e- H2O 内外膜间隙侧 基质侧 线粒体内膜 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ Cytc NADH+H+ 延胡素酸 1/2O2+2H+ NAD+ 琥珀酸

琥珀酸氧化呼吸链 NADH 氧化呼吸链

呼吸链的组成 人体线粒体呼吸链 复合体 酶名称 多肽链数 辅基 复合体Ⅰ NADH-泛醌还原酶 45 FMN, Fe-S 复合体Ⅱ 琥珀酸-泛醌还原酶 4 FAD, Fe-S 复合体Ⅲ 泛醌-细胞色素c还原酶 11 铁卟啉, Fe-S 复合体Ⅳ 细胞色素c氧化酶 13 铁卟啉, Cu 辅酶Q与细胞色素c

（1）复合物Ⅰ—— NADH-Q 还原酶 NADH FMN，Fe-S CoQ 结合铁硫蛋白的,辅基为FMN的黄素蛋白,45条肽链,850kD. 结合NADH,并将其氧化为NAD+;将电子传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙. NADH FMN，Fe-S CoQ

R=H:NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+与NADP+的结构 R=H:NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶I NADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶II

黄素单核甘酸

铁硫蛋白 Fe-S 作用： Fe2+ Fe3++ e 单电子传递 Fe2S2, Fe4S4 Fe4S4

泛醌（ubiquinone , Q） 人体中： CoQ10 亦称辅酶Q（Coenzyme Q , CoQ） 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2.脂溶性，可在线粒体内膜中移动 3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白） 

2H+ FMN Fe-S N-2 Q QH2 复合体Ⅰ传递电子的过程 2H+ NAD+ NADH+H+ NADH+H+ FMN Fe2+ Q FMNH2 Fe3+ QH2 NAD+ Q NADH FMN Fe-S

（2）复合物Ⅱ 琥珀酸-泛醌还原酶 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。 即琥珀酸脱氢酶.由4条肽链组成，含有一个FAD，3个铁硫中心辅基及细胞色素b 其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。

细胞色素cytochrome,Cyt CytFe3+ + e  CytFe2+ A、结构：一类含铁卟啉辅基的色素蛋白 B、分类: Cyta: Cytaa3 Cytb: Cytb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1 C、区别： ① 铁卟啉辅基侧链不同 ② 铁卟啉辅基与酶蛋白 连接方式不同 CytFe3+ + e  CytFe2+ 细胞色素c

甲酰基 多聚异戊二烯长链

细胞色素a、b、c的区别 辅基 颜色 α带波长 与酶蛋白连接 Cytb 原卟啉Ⅸ (血红素) 红色 560nm 非共价结合 Cytc 与多肽链中 Cys的 –SH相连 Cyta 血红素A 绿色 600nm 非共价结合　

（3） 复合物Ⅲ Q-Cytc还原酶 Cytc QH2 即细胞色素c还原 酶，由至少11条不 同肽链组成，以二 聚体形式存在，每 个单体包含两个细 胞色素b（b562、 b566）、一个细胞色 素c1和一个铁硫蛋白。 催化电子从辅酶Q 传给细胞色素c，每 转移一对电子，同 时将4个质子由线粒 体基质泵至膜间隙。 QH2 Cytc b566b562Fe-Sc1

细胞色素c 复合物Ⅲ

复合体Ⅲ传递电子的过程 QH2的第一次氧化 QH2的第二次氧化 bL bL bH bH Cytc Cytc 2H+ 2H+ e- e- e- Fe-S Fe-S e- e- bL bL e- QH2 Q e- QH2 Q bH bH Q  Q  Q QH2 2H+

（4）复合物Ⅳ Cytc 氧化酶 Cyt c CuA a  a3 CuB O2 每个单体由至少13 条不同的肽链组成。 线粒体编码三个亚单 位：I包含两个血红素 （a、a3）和一个铜蛋 白(CuB); Ⅱ包含两个 铜离子(CuA)构成的双 核中心，其结构与 2Fe-2S相似。 Cu2+ + e  Cu+ Cyt c CuA a  a3 CuB O2

NADH氧化呼吸链 NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2

总反应 NADH + H+ + 1/2O2 NAD+ + H2O FADH2 + 1/2O2 FAD + H2O 进一步: 呼吸链 或 FADH2 + 1/2O2 呼吸链 FAD + H2O 进一步: 2H + 1/2O2 呼吸链 H2O 含在FADH2中或NADH中

II、氧化磷酸化 （oxidative phosphorylation） 概念： 呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸 化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是 体内产生ATP的主要方式。

反应 ADP + Pi  ATP + H2O 为什么需要偶联? ATP是比ADP与 Pi能量更高的化合 物。由ADP与Pi反 应生成ATP是非自 发过程,需要获得能 量才能进行。 ADP + Pi ATP+H2O 30.5kJ/mol 能量升高 反应能级图

呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现ADP的磷酸化？

什么是P/O比？其值有何意义？ ---物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数（或ADP mol数），或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol数.

呼吸链的氧化与ADP的磷酸化是怎样偶联的？ 氧化磷酸化偶联机制有：化学物质偶联学说、构象偶联学 说及化学渗透学说等。目前公认度较大的是化学渗透学说。 化学渗透学说： 电子释放的能量转化为呼吸链向线粒 体内外膜间隙释放质子，造成膜间隙 与基质侧质子化学浓度梯度。 质子跨线粒体内膜渗透流回基质侧， 带动ATP合成酶运转，合成ATP。 1961~1978

电子传递过程中,呼吸链将质子放入线粒体内外膜间隙侧,使线粒体内膜两侧H+浓度不同。

化学滲透假说示意图 H+ H+ H+ H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - e- 延胡素酸 H2O NADH+H+ 琥珀酸 1/2O2+2H+ NAD+ ATP ADP+Pi

ATP合成酶 ATP合成酶由疏水的 F0(a1b2c912)和亲水的 F1(33)组成。 质子穿过a时,推动c 环象水车一样转动,带 动转动, αβ亚基下 结合底物ADP与H3PO4, 在转动过程中随着构 象的变化，对底物进 行作用，生成ATP。

ATP合成酶在线粒体中的位置

ATP合成酶的工作原理 亚基有三种构象:松L、紧T、放O。 生产ATP的过程： 结好 （L） 脱水 （T） 松开 （O） H+ 

III、影响氧化磷酸化的因素 (1)、抑制剂 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链的电子传递。 解偶联剂 　使氧化与磷酸化的偶联脱离。如：解偶联蛋白、2,4-二硝基苯酚。 氧化磷酸化抑制剂 　如寡霉素，在ＡＴＰ合酶中抑制质子回流，从而抑制ＡＤＰ的磷酸化。

呼吸链抑制剂的阻断位点 CO、CN-、N3-及Ｈ２Ｓ 抗霉素Ａ 二巯基丙醇    异藤酮 粉蝶霉素Ａ 异戊巴比妥

解偶联作用机制 Ｈ＋ 解偶联蛋白 热 Ｈ＋ Ｈ＋ ADP+Pi ATP+H2O

寡霉素的抑制作用 阻止质子从F0质子通道回流。 寡霉素

(2)、ADP的调节作用 (3)、甲状腺激素 主要调节因素：ADP/ATP比值 ADP + Pi  ATP + H2O Na+-K+  ATP酶活性  ATP分解   ADP/ATP   氧化磷酸化

(4)、线粒体DNA突变 线粒体疾病 线粒体DNA的功能 线粒体DNA编码的13条肽链 (NADH脱氢酶7条、Cytc还原 酶1条、Cytc氧化酶3条及 ATP合酶2条）均参与氧化磷 酸化 突变影响氧化磷酸化功能， ATP减少 裸露环状双螺旋结构，缺乏 保护/修复系统 症状取决于突变程度+各器 官对ATP的需求 线粒体疾病 母系遗传病（遗传 性视神经病、遗传性 糖尿病及遗传性耳 聋）。 与衰老密切相关

IV、通过线粒体内膜的物质转运 线粒体外膜孔 蛋白，<10kDa 的物质通过 线粒体内膜不 同的转运体,对 物质有选择性

胞质中NADH的氧化(线粒体外NADH的氧化) 两种机制: α-磷酸甘油穿梭 (glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)

NADH两种氧化途径的比较 氧化途径 主要存在的组织 主要承担酶 胞液中主要承担酶的辅基 线粒体内主要承担酶的辅基 被完全氧化时经过的呼吸链 完全氧化时产生的ATP量 -磷酸甘油穿梭 骨骼肌、神经细胞 α-磷酸甘油脱氢酶 NAD+ FAD 琥珀酸氧化呼吸链 1.5ATP 苹果酸穿梭 肝、心肌组织 苹果酸脱氢酶 NADH氧化呼吸链 2.5ATP

-磷酸甘油穿梭示意图 呼吸链 NADH+H+ FADH2 -磷酸甘油脱氢酶 -磷酸甘油脱氢酶 NAD+ FAD

苹果酸穿梭 2.5ATP

细胞色素c氧化酶、酚氧化酶 、抗坏血酸氧化酶 四、其他氧化体系 1、需氧脱氢酶和氧化酶 受氢体 辅酶或辅基 产物 举例 不需氧脱氢酶 辅酶 NADH脱氢酶 需氧脱氢酶 O2 FMN(FAD) H2O2 氨基酸氧化酶、 单胺氧化酶、黄嘌呤氧化酶 氧化酶 含Cu H2O 细胞色素c氧化酶、酚氧化酶 、抗坏血酸氧化酶

2、过氧化酶体中的酶类 (1)、过氧化氢酶catalase（触酶） 催化反应: 1分子H2O2 提供电子, 另1分子H2O2 接受电子 辅基: 4个血红素 作用：分布广,可消除需氧脱氢酶催化 反应产生的有毒H2O2

(2)、过氧化物酶（peroxidase） 催化反应:催化H2O2直接氧化酚类/胺类化合物 辅基：血红素 谷胱甘肽过氧化物酶对机体起保护作用 临床粪便隐血实验

3、超氧化物歧化酶 （superoxide dimutase, SOD） O2-. H2O2 + .OH 损伤生物膜、生成脂褐素 2O2-. + 2H+ H2O2 + O2 超氧化物歧化酶 H2O + O2 过氧化氢酶 SOD辅基含Cu、Zn(胞液) 或Mn(线粒体)。

(1).加单氧酶（monooxygenase） 4、微粒体中的氧化酶类 (1).加单氧酶（monooxygenase） 催化的反应: RH+NADPH+H++O2 ROH+NADP++H2O 又称混合功能氧化酶(mixedfunction oxidase) 或羟化酶(Hydroxylase)。 酶组成: NADPH-Cytc还原酶、黄素蛋白(FAD)、铁硫蛋白(Fe2S2)、CytP450。 作用：羟化。胆汁酸、胆固醇的生成；药物、毒物的转化；肾上腺皮质、类固醇激素的生物合成。

作用机制 RH.P450.Fe3+ RH H2O ROH

催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个 碳原子上。 (2).加双氧酶 催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个 碳原子上。 色氨酸吡咯酶 O2

提要 ATP的生成主要通过氧化磷酸化。 呼吸链是线粒体内膜中的一系列递氢和递电子酶及其辅酶 按照一定顺序排列成的连锁性氧化还原体系。主要有两条： NADHFMN(FeS)Qbc1c aa3  O2 琥珀酸FADH(FeS)Qbc1caa3O2 呼吸链的电子传递与氧化磷酸化有三处偶联：NADHQ； CtybCytc；Cytaa3O2 化学渗透假说 影响氧化磷酸化的因素 需氧脱氢酶、氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、SOD、 羟化酶及加双氧酶的作用。

选择题练习 生物氧化

1. 呼吸链存在于（ ） A 细胞膜 B 线粒体外膜 C 线粒体内膜 D 微粒体 E 过氧化物酶体

2. 下列哪种物质不是NADH氧化呼吸链的组分？ A. FMN B. FAD C. 泛醌 D. 铁硫蛋白 E. 细胞色素c

3. ATP生成的主要方式是（ ） A 肌酸磷酸化 B 氧化磷酸化 C 糖的磷酸化 D 底物水平磷酸化 E 高能化合物之间的转化

4 由琥珀酸脱下的一对氢，经呼吸链氧化可产生（ ）分子ATP B 1.5 C 3 D 4 E 0

5 下例关于高能磷酸键的叙述，正确的是（ ） A 所有高能键都是磷酸键 B 高能磷酸键只存在于ATP C 高能磷酸键仅在呼吸链中偶联 D 有ATP参与的反应也可逆向进行 E 所有的生化转变都需要ATP参与

6. 下列哪种酶以氧为受氢体催化底物氧化生成水？ A 丙酮酸脱氢酶 B 琥珀酸脱氢酶 C 黄嘌呤氧化酶 D 细胞色素c氧化酶 E SOD

7. 关于线粒体内膜外H+浓度叙述正确的是( ) A 浓度高于线粒体内 B 浓度低于线粒体内 C 可自由进入线粒体 D 进入线粒体需主动转运 E 进入线粒体需载体转运

8. 参与呼吸链电子传递的金属离子是( ) A 铁离子 B 钴离子 C 镁离子 D 锌离子 E 以上都不是

9. 呼吸链中,不具有质子泵功能的是( ) A 复合体Ⅰ B 复合体Ⅱ C 复合体Ⅲ D 复合体Ⅳ E 以上都不是

10. 关于超氧化物歧化酶,哪项是不正确的( ) A 可催化产生超氧离子 B 可消除超氧离子 C 可催化产生过氧花氢 D 含金属离子辅基 E 存在于胞液和线粒体中

11. Except iron, Cyt aa3 contain ( ) ion. A Zn B Mg C Cu D Mn E K

12. Which one can be inhibited by CO in respiratory chain ? A FAD B FMN C Fe-S D Cyt aa3 E Cyt c

13. Which one is uncoupler? A CO B piericidin A C KCN D 2,4-dinitrophenol E H2S

14. The right electron tansferation sequence is ( ) A b→c→c1→aa3→O2 B c1→c→b→aa3→O2 C c→c1→b→aa3→O2 D c→b→c1→aa3→O2 E b→c1→c→aa3→O2

15. 关于ATP合成酶，叙述正确的是（ ） A 位于线粒体内膜，又称复合体Ⅴ B 由F1和F0两部分组成 C F0是质子通道 D 生成ATP的催化部位在F1的亚基上 E F1呈疏水性，嵌在线粒体内膜中

16. 关于辅酶Q, 哪些叙述是正确的? A 是一种水溶性化合物 B 其属醌类化合物 C 可在线粒体内膜中迅速扩散 D 不参与呼吸链复合体 E 是NADH呼吸链与琥珀酸呼吸链的交汇点

17. 关于细胞色素,叙述正确的是( ) A 均以铁卟啉为辅基 B 有色 C 均为电子传递体 D 均可被氰化物抑制 E 本质是蛋白质

18. 下列物质属于高能化合物的是（ ） A 乙酰辅酶A B GTP C 磷酸肌酸 D 磷酸二羟丙酮 E 磷酸烯醇式丙酮酸

19. Which make Fe-S as prosthetic group in the respiratory chain? A Complex Ⅰ B Complex Ⅱ C Complex Ⅲ D Complex Ⅳ E Cyt c

20. Where does the phosphorylation couple with the oxidation and can produce ATP? A NADH→CoQ B CoQ→Cyt b C CoQ→Cyt c D FADH2→CoQ E Cyt aa3→O2

谢谢！